Перспективы использования электрической тяги в авиации. Компания Joby Aviation использует решения Simcenter для продвижения инновационной идеи электрического самолета

Основываясь на богатом опыте проектирования и изготовления электродвигателей, проведения высокоточных аэродинамических расчетов, а также конструирования и производства планеров, компания Joby Aviation разрабатывает сразу несколько инновационных конструкций самолетов, реализующих новые и многообещающие технологии. Однако объективная сложность проекта и отсутствие опыта создания подобных конструкций вызывает необходимость проведения значительного объема очень сложных аэродинамических расчетов. Для тщательного анализа нестандартных проектных решений Joby Aviation (основанная в 2009 году частная компания со штаб-квартирой в Санта-Круз, шт.Калифорния) широко применяет систему Simcenter STAR-CCM +™.

Преимущества электрической тяги в авиации

Появление электрической тяги в авиации стало одним из самых заметных событий с момента появления реактивных двигателей. На первый взгляд может показаться, что высокая масса современных аккумуляторных батарей ограничивает применение электрических самолетов рядом второстепенных ролей. Однако характеристики электродвигателей заметно отличаются от характеристик традиционных двигателей внутреннего сгорания. Последние достижения науки и техники позволяют значительно уменьшить конструктивные ограничения, налагаемые на ряд конфигураций летательных аппаратов. Становится возможным проектировать новые типы самолетов, которые ранее считались непрактичными или же вовсе нереализуемыми. Данное утверждение особенно справедливо для самолетов ближнего радиуса действия, которые традиционно являются относительно небольшими и приводятся в движение поршневыми двигателями.

О компании Siemens PLM Software

Siemens PLM Software, бизнес-подразделение департамента Digital Factory концерна Siemens — ведущего мирового поставщика программных решений для цифрового преобразования промышленности, обеспечивает новые возможности для воплощения инноваций. Штаб-квартира расположена в г.Плано, шт.Техас, число заказчиков превышает 140 000 компаний в мире. Siemens PLM Software сотрудничает с компаниями любого размера, помогает воплощать идеи в жизнь, преобразовывать процессы создания и эксплуатации новых изделий. Для получения дополнительной информации по продуктам и услугам компании Siemens PLM Software посетите сайт www.siemens.com/plm.

Размеры, масса и специфические требования к обслуживанию ограничивают количество устанавливаемых на самолете поршневых двигателей (нередко ставится лишь один), да и выбор мест их размещения оказывается невелик. Именно поэтому большинство современных самолетов и вертолетов авиации общего назначения внешне мало отличаются от тех, что летали в 1950­е. С другой стороны, электрические силовые агрегаты гораздо меньше, легче и проще: некоторые из них имеют всего одну подвижную деталь, в то время как в поршневом двигателе обязательно присутствуют система охлаждения, электросистема, система смазки, топливная система и т.д. Благодаря подобной простоте значительно снижается и трудоемкость технического обслуживания. Чем меньше размер двигателя внутреннего сгорания, тем ниже его удельная мощность на единицу массы и КПД. Электродвигатели лишены подобного недостатка: удельная мощность и КПД электродвигателя мощностью 1 кВт практически такие же, как и у электродвигателя мощностью 1000 кВт. Кроме того, электрические силовые агрегаты имеют КПД в три раза выше (примерно 90­95% по сравнению с 30­40% у двигателей внутреннего сгорания). Электродвигатели способны работать в гораздо более широком диапазоне частот вращения и быстро менять частоту. Наконец, электрические силовые агрегаты заметно тише двигателей внутреннего сгорания. Это может подтвердить любой, кто слышал, как работает электромобиль.

Рис. 1. Компьютерная визуализация ЛА Joby S2

Конечно, простая замена двигателя внутреннего сгорания на электродвигатель снизит уровень шума и повысит КПД. Однако для получения значительных преимуществ электрический самолет надо проектировать с нуля. Свойства электрической силовой установки позволяют оснастить летательный аппарат большим числом малогабаритных двигателей без существенного усложнения (что снижает стоимость обслуживания) или утяжеления конструкции и с сохранением высоких летных качеств. Относительно малые габариты и масса заметно расширяют выбор мест установки электродвигателей на самолете. Кроме того, установка легких двигателей, используемых только на определенных этапах полета (в частности, при взлете и посадке), не приводит к существенному ухудшению характеристик, как это нередко случается с традиционными двигательными установками. Например, возникает сопротивление трения от тянущего воздушного винта, ускоряющего поток воздуха вокруг фюзеляжа. Гибкость же электрической силовой установки позволяет улучшить аэродинамику: воздушные винты можно размещать на концах крыльев, где они используют часть энергии, теряемой на завихрение воздушного потока.

ЛА Joby S2

На рис. 1 изображен летательный аппарат S2 с вертикальным взлетом и посадкой. Это основная разработка компании Joby Aviation. Ее конструкция успешно решает такие проблемы, как высокий уровень шума, значительные эксплуатационные расходы, малая крейсерская скорость и недостаточная безопасность, сильно ограничивающие сферу применения традиционных летательных аппаратов подобного размера с вертикальным взлетом и посадкой (вертолетов). Для повышения безопасности в конструкции ЛА S2 на взлете и посадке используются дополнительные воздушные винты. При выходе на крейсерскую скорость большинство винтов складываются в гондолы с целью снижения сопротивления. Конструкция лопастей — компромиссное решение, обеспечивающее приемлемые характеристики воздушного винта и невысокое аэродинамическое сопротивление гондолы. Расчет подобной конструкции потребовал применения аналитических систем высокого уровня. В Simcenter STAR­CCM+ были рассчитаны параметры нескольких вариантов воздушных винтов в различных условиях эксплуатации. Анализ конструкции гондолы в конфигурации крейсерского полета проводился с применением модели турбулентно­ламинарного перехода γ­Reθ. На рис. 2 изображены расчетная модель исходного варианта гондолы и модель гондолы со сложенным винтом и зазорами на обтекателе. Результаты расчетов показывают, что подобное изменение формы лопастей позволяет увеличить ламинарный поток и снизить сопротивление на крейсерской скорости.

Рис. 2. Модель гидрогазодинамических расчетов классической гондолы (a) и гондолы ЛА S2
со сложенными лопастями и зазорами обтекателя (b)

ЛА Joby Lotus

На рис. 3 изображен еще один проект компании Joby Aviation — аппарат Lotus. Беспилотный летательный аппарат является масштабной моделью массой 25 кг, предназначенной для изучения новой конструкции с вертикальным взлетом и посадкой. Двухлопастные воздушные винты расположены на концах крыльев и обеспечивают вертикальный взлет. После набора поступательной скорости, достаточной для появления подъемной силы на крыле, две лопасти каждого винта складываются по принципу ножниц, образуя двойные законцовки крыла. Наклоняемый хвостовой двигатель работает как руль высоты при взлете и посадке, управляя тангажом, а также обеспечивает тягу при движении вперед. Конфигурации ЛА Lotus при взлете и в крейсерском полете представлены на рис. 4. Конструкция лопастей­законцовок, расстояние между ними, аэродинамический профиль, распределение крутки и длин хорд, угол поперечного V­крыла выбраны как компромиссные решения, обеспечивающие приемлемые характеристики законцовок и лопастей.

Рис. 3. ЛА Lotus в крейсерской конфигурации. Процесс сборки

Рис. 4. ЛА Lotus во взлетной (слева) и крейсерской конфигурации

Для получения оптимальных характеристик в крейсерском полете при существующих ограничениях конструкции были проведены десятки гидрогазодинамических расчетов с различными комбинациями параметров. Для проверки упрощенных алгоритмов расчета выполнялись гидрогазодинамические расчеты лопастей в выдвинутом положении. На рис. 5 и 6 представлены результаты подобных расчетов.

Рис. 5. Гидрогазодинамические расчеты модели ЛА Lotus в крейсерской конфигурации

Рис. 6. Гидрогазодинамические расчеты воздушных винтов на концах крыльев ЛА Lotus во взлетной конфигурации

ЛА LEAPTech

Третий проект компании Joby Aviation — это участие в разработке технологии асинхронной работы винтов на передней кромке крыла (англ. LEAPTech, Leading Edge Asynchronous Propeller Technology). Данный проект реализуется в сотрудничестве с Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и компанией Empirical Systems Aerospace. Цель проекта — исследование потенциальных возможностей модернизации самолета традиционной конструкции путем установки электрической тяги. Несколько воздушных винтов устанавливаются в ряд вдоль передней кромки крыла. В момент взлета и посадки винты увеличивают скорость воздушных потоков над крылом (соответственно, и динамическое давление). Подъемная сила крыла увеличивается, что дает возможность уменьшить его размеры при сохранении той же скорости сваливания. Размер крыла малых самолетов определяется минимальной скоростью сваливания. Чаще всего он слишком велик для достижения оптимальной крейсерской скорости. Предлагаемое крыло меньших размеров позволяет развивать большую крейсерскую скорость.

Рис. 7. Гидрогазодинамические расчеты крыла во взлетной конфигурации, построенного по технологии LEAPTech. Воздушные винты представлены моделью движителя-диска

Рис. 8. Опытный образец ЛА LEAPTech в Летно-испытательном центре имени Нила Армстронга (изображение предоставлено НАСА)

Кроме того, вследствие увеличения нагрузки на крыло значительно снижается влияние турбулентности. Анализ характеристик обдуваемого крыла в системах низкого уровня весьма затруднителен. В частности, наиболее сложный этап связан с расчетом эффекта сваливания. В ходе проектирования было проведено большое количество гидрогазодинамических расчетов. Рассматривались различные комбинации размеров и мощностей винта, соотношений сторон и размеров крыла, углов атаки и т.д. Для повышения производительности при расчетах винты моделировались в виде движителей­дисков с применением метода расчета аэродинамики пропеллера, реализованного в Simcenter STAR­CCM+. Данный метод не требует точного построения геометрии лопасти, что резко снижает размер конечно­элементной сетки.

Рис. 9. Гидрогазодинамические расчеты воздушных винтов на концах крыльев

Первый этап испытаний этого варианта заключался в изготовлении полномасштабного крыла, воздушных винтов и двигателей и их установке на модифицированный полуприцеп, способный разгоняться до взлетной скорости на взлетной полосе Летно­испытательного центра им. Нила Армстронга (база ВВС США Эдвардс, шт.Калифорния). На рис. 7 показан пример модели для гидрогазодинамических расчетов данной конструкции, а на рис. 8 представлена экспериментальная установка.

Предполагается, что на крейсерской скорости винты на передней кромке крыла будут складываться и убираться в гондолы (по примеру винтов ЛА S2), а тягу обеспечат винты на концах крыла. Хотя более простые методы расчета показали свою пригодность при оценке сопротивления и эффективности работы воздушных винтов, расположенных концентрично с завихрениями на концах крыльев, методы гидрогазодинамических расчетов переходных режимов оказались самыми надежными. Был проанализирован целый ряд параметров конструкции. Один из вариантов проектного решения представлен на рис. 9. Ведется разработка опытного образца для летных испытаний. Его компьютерная модель показана на рис. 10.

Рис. 10. Компьютерная визуализация опытного образца ЛА LEAPTech (изображение предоставлено НАСА)

Заключение

Компания Joby Aviation совершенствует ЛА общего назначения, продвигая революционную концепцию электрической тяги. Компьютерное моделирование играет важнейшую роль в понимании сложных процессов и разработке нестандартных решений. 

Материалы для статьи предоставлены Алексом Столлом (Alex Stoll), авиационным инженером компании Joby Aviation.